Messtechnische Herausforderungen bei H2-Tankstellen Dem Wasserstoff Druck machen

Der Klimawandel ist ohne einen umfassenden Mobilitätswandel nicht aufzuhalten. An dem Aus für herkömmliche Verbrennungsmotoren führt daher kein Weg vorbei. Deren Ende wird umso mehr beschleunigt, je stärker die Nachfrage nach Fahrzeugen mit emissionsfreien Antrieben wächst. Hierbei rückt Wasserstoff zunehmend in den Fokus, weil H₂-Brennstoffzellen ähnliche Leistungsdaten aufweisen wie Benziner und Diesel. Weltweit werden ehrgeizige Ziele für eine Wasserstoff-Mobilität im Straßenverkehr formuliert, vor allem im Bereich der Nutzfahrzeuge. Verkehrs- und Logistikunternehmen haben begonnen, ihre Flotten umzustellen, und auf den Straßen tauchen immer öfter Pkw mit Hydrogen-Antrieb auf.

Ausbau des Netzes

Die Weiterentwicklung der H₂-Mobilität hängt entscheidend vom Ausbau des entsprechenden Tankstellennetzes ab, von einer Versorgung ohne Umwege. Weltweit gibt es aktuell rund 700 solcher „Hydrogen Refueling Stations“ (HRS), bis 2030 sollen es 6.000 sein. In Deutschland sind 95 H₂-Tankstellen in Betrieb (Stand: Januar 2023), die Bundesrepublik verfügt damit über das dichteste Netz in Europa.

Analog zum Ausbau des HRS-Netzes muss die Produktion von „grünem“ Wasserstoff erhöht werden, das heißt: die Gewinnung von Wasserstoff per Elektrolyse und unter Einsatz erneuerbarer Energien. Sie gilt als einzige klimaneutrale Herstellungsform. Nach Angaben des Energiekonzerns EnBW erzeugen in Deutschland aktuell 40 Anlagen „grünen“ Wasserstoff. Solche Elektrolyseure haben ihren Standort idealerweise bei großen Windkraft- oder Solarparks.

Ihr Produkt wird in sogenannten Tube-Trailern bei den Tankstellen angeliefert. Dabei handelt sich um Auflieger mit einem Verbund aus sieben Stahl-Röhrentanks. Diese Behälter werden künftig mehr und mehr durch Kohlefaser-Tanks Typ IV ersetzt, die einen höheren Tankdruck – 500 bar statt 200 bar – ermöglichen, ein geringeres Eigengewicht haben und so die Nutzlast erhöhen können. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu dem Ziel, die Speicherkapazität der HRS künftig auf über eine Tonne Treibstoff zu erhöhen. Die Tankfüllung eines Pkw beträgt etwa 4 bis 5 kg, die eines Lkw rund 40 kg, Tendenz steigend.

Normen im Wandel

Parallel zum Aufbau der Infrastruktur arbeitet die Wasserstoff-Industrie an deren normativem Gerüst. Neue Richtlinien werden erarbeitet, existierende Vorgaben an zwischenzeitliche Entwicklungen angepasst. Die Branche drängt auf eine umfassende Standardisierung von Prozessen und Komponenten, um die Nutzbarkeit von H₂ als Treibstoff auf eine breite, grenzüberschreitende Basis zu stellen. Zugleich muss dabei das höchstmögliche Sicherheitsniveau gewährleistet werden.

Herstellern von Messtechnik für Überwachungs- und Regelaufgaben im Tankprozess erschwert die wandelnde Normenlandschaft eine Orientierung, welche Richtlinien mit Bestand für ihre H₂-Produkte zu definieren sind. Das gilt für neue Lösungen wie für Modifikationen bereits existierender Produkte. Dauerhafte Spezifikationsvorgaben für Wasserstoff-Tankstellen finden sich beispielsweise in der Normenreihe der ISO 19880.

Herausforderungen von H₂

Unabhängig von den tankstellenspezifischen Maßgaben stellen allein die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasserstoff bereits erhebliche Anforderungen an die Messtechnik, die mit Standardgeräten nicht zu erfüllen sind: Wasserstoff ist zum einen hochentzündlich, daher gelten in stationären Anwendungen meist entsprechende Anforderungen an den Explosionsschutz der Geräte. H₂ durchdringt aufgrund seiner geringen Teilchengröße Materialien und bildet in der Luft schon ab einem Mengenanteil von vier Prozent ein explosives Gemisch. Für die Prozessadaption der Messgeräte kommen daher in der Regel Anschlüsse mit metallischen Dichtungen oder Schweißverbindungen in Frage. Weil sie extrem klein sind, dringen H₂-Moleküle außerdem in Metallstrukturen ein. Sie können dort zu Materialversprödung und damit zu einem Sicherheitsrisiko führen.

Deswegen werden für Messgeräte in H₂-Applikationen bevorzugt austenitische Stähle verwendet, wie zum Beispiel 316L. Darüber hinaus vermag Wasserstoff bei Sensoren die gewünschte Langzeitstabilität des Messsignals zu beeinträchtigen. Sein Anhaften am Widerstand und/oder sein Eindringen in sensitive Strukturen des elektronischen Messgeräts können letztlich zu einem Signalversatz und damit zu einem Messfehler führen. Eine mögliche Gegenmaßnahme ist die Verwendung von Trennschichten, die das Durchdringen von Wasserstoff verhindern. Ein geeignetes Material für eine solche Lösung ist zum Beispiel Gold.

Drücke bis 900 bar

Über diese allgemein gültigen Anforderungen für H₂-Anwendungen hinaus bringt der Einsatz in Wasserstoff-Tankstellen noch spezifische Herausforderungen mit sich. Die Mess- und Regeltechnik muss für Drücke bis 900 bar sowie für Temperaturen von -40 °C und +85 °C ausgelegt sein. Das ergibt sich aus dem Aufbau einer H₂-Tankstelle und dem eigentlichen Tankvorgang.

Der Wasserstoff wird bei einem Druck von derzeit 200 bar in den Tube-Trailern angeliefert und anschließend in Hochdrucktanks mittels Kompressoren bis zu 900 bar weiterverdichtet. Dies geschieht in mehreren Stufen. Diese Komprimierung ist auf den Pkw-Tankdruck von 700 bar abgestimmt. Der Tankdruck von Lkw liegt noch bei 350 bar, wird aber zukünftig auch auf 700 bar erhöht, um mehr Reichweite zu erzielen. Der jeweils erforderliche Druck- und Durchflusswert wird über die Kommunikation zwischen der Sensorik der Zapfsäule, auch Dispenser genannt, und derjenigen am Fahrzeugtank geregelt.

Der Tankvorgang muss im Sinne des Kunden möglichst zeitoptimiert erfolgen. Dabei spielen Druck und Temperatur eine wichtige Rolle: Je höher der Druckunterschied zwischen Tankstelle und Fahrzeug, desto schneller fließt der Wasserstoff. Der spezifizierte Druck der Fahrzeugtanks darf dabei selbstverständlich nicht überschritten werden. Der Zeitfaktor spielt aber auch wegen des Temperaturverlaufs entlang der Tankstrecke eine Rolle: Wasserstoff erwärmt sich bei Expansion. Daher wird das Gas zunächst mittels Wärmetauscher auf -40 °C heruntergekühlt, damit im weiteren Verlauf eine Temperatur unter 85 °C eingehalten wird. Denn die Fahrzeugtanks sind nur bis zu diesem Wert spezifiziert. Je näher die Temperatur an die 85 °C heranrückt, desto stärker muss der Tankvorgang gebremst und per Kühlung nachgeregelt werden.

Komplexe Instrumentierung

Angesichts der potenziell kritischen Situation ist der Befüllungsstrang der H₂-Tankstellen komplex instrumentiert: mit Sensoren für Druck, Temperatur und Durchfluss sowie mit Absperr- und Entlüftungsventilen. Zur Überwachung des Durchflusses kommen aufgrund der hohen Drücke vor allem Coriolis-Flowmeter in Frage. Die Temperatur- und Druckmessstellen tragen entscheidend zur Betriebssicherheit bei. Die Thermometer müssen mit kurzen Ansprechzeiten arbeiten und ebenfalls druckfest sein: Aufgrund der notwendigen schnellen Reaktion ist der Einsatz eines Schutzrohres nicht zielführend. Deshalb muss die Fühlerspitze ungeschützt Drücken von bis zu 875 bar standhalten können und gleichzeitig so kompakt ausgeführt sein, dass sie den Medienstrom so wenig wie möglich beeinflusst. Ein Anschluss beispielsweise mit Konus-Gewinde-Verschraubung gibt dem Thermometer die notwendige Festigkeit und hält die Messstelle zuverlässig dicht.

Die im Tanksystem verbauten Drucksensoren haben in der Regel einen Nenndruck von 1000 bar oder 1050 bar. Dieser Wert ergibt sich aus dem nominellen Tankdruck im Fahrzeug – bei Pkw 700 bar – plus einem temperaturbedingten Sicherheitsfaktor. Die Sensoren müssen auch in dem für HRS typischen Temperaturbereich zwischen -40 °C und +85 °C nach Spezifikation arbeiten. Die Messaufgabe erfordert zudem Geräte mit Explosionsschutz, an einigen Messstellen im System sogar mit einer SIL-Zertifizierung.

Fazit

Mit dem Aufbau eines flächendeckenden Tankstellennetzes eröffnen sich den Herstellern von Messtechnik neue Perspektiven im vielversprechenden Marktsegment der H₂-Mobilität: Sowohl Hydrogen Refueling Stations als auch Elektrolyseure zur klimaneutralen Erzeugung von grünem Wasserstoff müssen in großer Zahl entstehen und gleichzeitig leistungsfähiger werden. Für große HRS mit entsprechendem Platzangebot, zum Beispiel an Rasthöfen, kann gegebenenfalls sogar eine eigene H₂-Produktion mit grünem Strom rentabel sein.

Überdies ist mit dem Auf- und Ausbau von reinen Wasserstoff-Pipelines die direkte Anbindung von Tankstellen an das spätere Versorgungsnetz denkbar. Der messtechnische Bedarf für die Infrastruktur wird sich zielstrebiger befriedigen lassen, sobald die laufenden Normgebungen weitgehend abgeschlossen sind. Parallel dazu ist die Wasserstoff-Branche bestrebt, die Kosten beim Bau und Betrieb von Tankstellen durch Standardisierungen, günstigere Komponenten und verbesserte Abläufe zu senken, um das H₂-Tanken auch preislich attraktiv zu gestalten. Daraus ergeben sich zusätzliche Anforderungen für die Mess- und Regeltechnik in Richtung Effizienzsteigerung.